НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ МНОГОРЕЖИМНЫХ САМОЛЕТОВ

АННОТАЦИЯ

В статье дано определение адаптивного двигателя и многорежимного самолета. Приводятся примеры данных двигателей и самолетов. Представлены направления развития турбореактивных двигателей для многорежимных самолетов.

ABSTRACT

The definition of adaptive engine and multi-mode aircraft is given. Examples of engine and aircraft data are given. The directions of development of turbojet engines for multi-mode aircraft are presented.

Ключевые слова: турбореактивный двигатель, адаптивный двигатель.

Keywords: turbojet engine, adaptive engine.

В настоящее время ужесточаются требования к маневренности и заметности многорежимных самолетов, эксплуатируемых на сверх- и дозвуковых скоростях полета в широком диапазоне высот полета (в 90-х годах наиболее совершенными самолетами такого типа являлись самолеты типа Су-27 и его модификации).

Для выполнения вышеперечисленных требований к проектируемым многорежимным самолетам необходимо не только совершенствовать аэродинамические характеристики планера, но и улучшать динамические характеристики используемой силовой установки [1]. Так, например, входящий в состав силовой установки газотурбинный двигатель, на режимах взлета должен иметь избыток тяги, на режимах маневрирования высокие динамические характеристики и т.д.

Возникает необходимость совершенствовать адаптивные двигатели – это двигатели, имеющие большое число управляемых параметров и позволяющие осуществлять оптимальную настройку на каждый характерный режим полета самолета.

Развитие адаптивных (турбореактивных двигателей с изменяемым рабочим процессом) осуществляются по двум направлениям:

1. Расширение возможностей газотурбинных двигателей традиционных схем путем увеличения числа управляемых элементов проточной части. Рассматривается управление сверхзвуковым устройством, направляющими аппаратами отдельных или всех ступеней каскадов компрессора, сопловыми аппаратами турбин, створками смесителя, площадью критического и выходного сечений сопла. Например, двигатель АЛ-41Ф-1 – авиационный высокотемпературный турбореактивный двухконтурный двигатель со смешением потоков, форсажной камерой и управляемым вектором тяги для самолета Су-57 с новейшей электронной системой управления, обеспечивающей адаптивное управление силовой установкой самолета в различных условиях эксплуатации, во всем диапазоне применения [2].

2. Разработка двигателей, у которых в зависимости от условий полета происходит изменение (конвертирование) самой схемы. Это осуществляется применением дополнительных газогенераторов, каскадов компрессоров, камер сгорания и специальных переключающих устройств. Изменение схемы двигателя и положения регулируемых элементов позволяет в широких пределах изменять параметры термодинамического цикла и степень двухконтурности [3].

По мнению специалистов ВВС США и представителей самолето- и двигателестроительных компаний, упомянутым требованиям будет отвечать интеллектуальный адаптивный трехконтурный двигатель с высоким уровнем параметров – двигатель ХА100 объединяет три ключевых инновационных технических решения, которые обеспечат переход к новому поколению силовых установок для боевых самолетов:

- изменяемый рабочий процесс – высокая топливная эффективность и высокий уровень характеристик в широком диапазоне высоты и скорости полета;

- трехпоточная конструкция – новый уровень терморегулирования открывает возможности для применения перспективных системобеспечения выполнения боевых задач и повышения боеспособности;

- широкое использование передовых технологий и материалов при изготовлении деталей и узлов, включая керамические и полимерные композиционные материалы, а также аддитивное производство.

По утверждению GE Aviation эти нововведения позволяют сократить расход топлива на 25 %, увеличить тягу на 10 %, увеличить время нахождения самолета в воздухе на 50 %, увеличить дальность полета на 35 %, существенно улучшить охлаждение двигателя и самолета.

Двигатель ХА100 сочетает в себе три ключевых технических решения: изменяемый рабочий процесс, обеспечивающий как режим большой тяги, так и режим экономии топлива для увеличения продолжительности полета в широком диапазоне скорости; трехконтурную конструкцию для достижения нового уровня терморегулирования самолета и двигателя и повышения боевой эффективности самолета; широкое применение новейших материалов и технологий при изготовлении компонентовввигателя, включая композиционные материалы с керамической и полимерной матрицей, аддитивное производство.

ХА100 сможет работать на биотопливе и будет отличаться низким уровнем эмиссии СО_2.

Адаптивные двигатели, рассчитанные на тягу 200кН, разработываются для потенциального переоснащения самолетов Lockheed Martin F-35A и F-35С, а также рассматриваются как возможная основа СУ для истребителя шестого поколения [4].

Адаптивные двигатели обладают рядом эксплуатационных преимуществ. У них в меньшей степени снижается тяга при возрастании температуры окружающего атмосферного воздуха, что облегчает эксплуатацию самолета с такими двигателями в условиях жаркого климата, существует возможность осуществлять временное повышение запаса газодинамической устойчивости каскадов компрессора и воздухозаборника без заметного снижения тяги, что имеет важное значение для улучшения эффективности функционирования систем защиты газотурбинных двигателей от нарушения газодинамической устойчивости самолетов при внешних возмущениях [3].

Коллектив авторов [5] провел теоретическое исследование трехконтурного двигателя.

В результате исследования установлено, что проблема низкой топливной эффективности силовой установки многорежимного самолета на крейсерских режимах успешно решается за счет перепуска избыточного воздуха через третий контур.

На дозвуковых крейсерских режимах полета можно за счет третьего контура улучшить топливную экономичность на 7 – 11 %, а на сверхзвуковых бесфорсажных режимах – на 3 %.

Таким образом, необходимо отметить, что у производителей авиационных двигателей наблюдается интерес к адаптивным двигателям, так как традиционные турбореактивыные двухконтурные двигатели с форсажным контуром с ограниченным числом регулируемых элементов, особенно при росте параметров цикла перспективных двигателей в значительной степени теряют свойства многорежимности и адаптивности, становясь все более специализированными.

Список литературы:

1. Уродовских В. Н. Математическое моделирование неустановившихся режимов работы силовой установки с двигателем изменяемого рабочего процесса и оценка эффективности управления ее элементами: дисс. канд. техн. наук: 20.02.14. – М., 1990. 131 с.
2. Двигатель АЛ-41Ф-1 для Су-57. Мнение специалиста о технологии разработки авиационных двигателей. // Наука и техника: сетевой журн. 2021. URL: https://naukatehnika.com/dvigatel-al-41f1.html naukatehnika.com (дата обращения: 19.04.2025).
3. Нечаев Ю. Н., Кобельков В.Н., Полев А.С. Авиационные турбореактивные двигатели с изменяемым рабочим процессом для многорежимных самолетов.  –М.: Машиностроение, 1988. – 176 с.
4. Федосов Е.А. Создание истребителей 5-го поколения в рамках общего реформирования боевой авиации ВВС США. Аналитический обзор по материалам зарубежных информационных источников. – М.: Машиностроение, 2007. – 197 с.
5. Шмотин Ю. Н., Кикоть Н.В., Кретинин Г.В., Лещенко И.А., Федечкин К.С. Исследование термодинамической эффективности силовой установки многорежимного самолета с независимо управляемым третьим контуром. // Насосы. Турбины. Системы, 2016. № 2 (19). С. 40 – 48.